Реконструкция крупномасштабных неоднородностей океанической среды методами интерференционной и лучевой томографии

• Автор: Казарова, Анна Юрьевна
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 121 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Метод интерференционной томографии океана
1Л. Уравнения интерференционной томографии океана
1.2. Определение межмодовой разности фаз нормальных
волн океанического волновода
1.3. Численные эксперименты по восстановлению неоднородностей океана
Основные результаты главы
Глава 2. Восстановление параметров морского дна методом
интерференционной томографии
2.1. Уравнения интерференционной томографии дна
2.2. Численные эксперименты по реконструкции параметров морского дна
Результаты главы
Глава 3. Восстановление средней температуры водного слоя
3.1. Идентификация лучевых импульсов в лучевой схеме акустической томографии с движущимся приемником (гидроакустический эксперимент в Средиземном море)
3.2. Метод оценки точности восстановления средней температуры
3.3. Исследование оценки качества восстановления средней температуры (численные эксперименты)
3.4. Влияние неточности априорной информации при
восстановлении средней температуры водного слоя
Выводы к главе
Приложение. Вывод выражений для оценки средней температуры водного слоя и относительной погрешности восстановления
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Дистанционное акустическое зондирование водной толщи и дна Мирового океана является одним из важнейших инструментов изучения структуры и динамики океанической среды. Значение акустических методов мониторинга усиливается тем обстоятельством, что электромагнитные волны сильно затухают в морской воде и поэтому возможности их использования для зондирования крайне ограничены. В течение последних тридцати лет методы акустического мониторинга активно развиваются как в нашей стране, так и за рубежом [1-8]. Эта деятельность базируется на результатах исследований общих закономерностей распространения звука в океане [9-13] и тесно связана с решением ряда других задач подводной акустики (см., например [14-18].)
Важный этап в развитии низкочастотных методов зондирования начался в 1979 году после появления классической статьи Манка и Вунша [19]. В этой работе была предложена схема лучевой акустической томографии океана для реконструкции мезомасштабных неоднородностей скорости звука, таких как волновые фронты и синоптические вихри (мезомасштабными называются неоднородности с горизонтальными размерами от десятков до нескольких сотен километров). В схеме Манка-Вунша неоднородности поля скорости звука (пропорциональные температурным неоднородностям) восстанавливаются по измерениям вариаций времен приходов импульсов, распространяющихся вдоль лучей (лучевых импульсов), соединяющих источники и приемники.
В 1981 году в Атлантическом океане был выполнен первый томографический эксперимент по зондированию температурного поля на акватории размерами 300x300 км2 [20,21]. В этом эксперименте была продемонстрирована возможность томографического обнаружения синоптического вихря и определения его параметров. Участникам

эксперимента удалось получить удовлетворительное соответствие результатов реконструкции поля скорости звука с данными прямых контактных измерений [22,23].
В 90-е годы начались работы по акустической термометрии океана -зондированию температурных полей на огромных акваториях с масштабами 5-10 тысяч километров. Эти работы продолжаются и в настоящее время. Их главной целью является измерение климатических вариаций средней температуры и исследование эффектов, связанных с глобальным потеплением вследствие парникового эффекта [24]. Работы по акустической термометрии океана в значительной мере были стимулированы результатами проведенного в конце января 1991 года эксперимента “The Heard Island Feasibility Test” (сокращенно “HIFT”) [25,26]. Эксперимент подтвердил, что современные акустические средства позволяют обеспечить прием излученных когерентным источником звуковых сигналов на трассах порядка 10000 км с высоким отношением сигнал/шум, и фазы сигналов на таких дистанциях все еще обладают высокой стабильностью [27-29]. Основные результаты по акустической термометрии океана получены в рамках проекта АТОС - Acoustic Thermometry of Ocean Climate [30]. В серии натурных экспериментов была показана возможность разрешения и идентификации лучевых импульсов на трассах длиной до 5000 км [31], предложены и апробированы на практике методы обработки данных и решения обратных задач [32,33].
Альтернативный подход был предложен в другой широко известной работе Манка и Вунша [34]. С этой статьи, опубликованной в 1983 году, началась активная разработка методов так называемой модовой томографии океана [35,36]. Несмотря на то, что модовый и лучевой методы описания поля имеют, вообще говоря, различные области применения [37], математический аппарат и физические подходы лучевой и модовой томографии довольно близки [38-47]. При интерпретации данных

Основные результаты главы 1.
Исследована возможность применения метода интерференционной томографии водной толщи в глубоком океане. Метод позволяет восстанавливать синоптические неоднородности поля скорости звука (температуры) с горизонтальными масштабами 100-500 км по возмущениям в межмодовой разности фаз, которая, в свою очередь, определяется по измеренным значениям пространственного распределения интенсивности (интерференционной структуре) звукового поля.
Численные эксперименты по восстановлению возмущений в межмодовой разности фаз проведены для двух характерных типов океанического подводного волновода: с каноническим и линейным профилем скорости звука. Обсуждается роль различных факторов, влияющих на реконструкцию: шумы океана, погрешности измерения координат, априорная информация, сглаживание интерференционной структуры.
Приведены результаты численных экспериментов по восстановлению вариаций скорости звука для двух типов подводного звукового канала. Для реконструкции характеристик скорости звука использовался комплекс программ, основанных на методе регуляризации Тихонова.
Восстановление возмущений скорости звука для слабых вихрей (до 7,5 м/с) происходит при отношениях сигнала к аддитивному шуму на приемнике >13 дБ. Метод устойчив по отношению к значительным погрешностям измерения координат источника и приемника (-100 м по горизонтали, -1-3 м по вертикали).